Development of a Cascade Refrigeration System MATLAB numerical model and thermodynamic performances evaluation

The thesis deals with a Cascade Refrigeration System, that is an advanced configuration based on the vapour compression technology. Previous studies related to such systems and their state of the art are discussed. The core of the work is the development of a thermodynamic based MATLAB numerical model simulating the global performances and operating point of a Cascade System adopting R134A and R404A as high temperature fluid and low temperature fluid respectively, with R404A extracting heat from condensing CO2 at -40°C. The model is given as input the geometry and the numerical models of the single components (compressors, Plate Heat Exchangers and air-cooled condenser) as well as empirical correlations found in literature for the evaluation of the local heat transfer coefficient and frictional pressure drop. The global iterative scheme is presented and the results of various sensitivity analyses are reported. Firstly, the effect of the Plate Heat Exchangers geometrical parameters such as Chevron angle β and channels hydraulic diameter dh on the thermodynamic performances is addressed. The heat transfer coeffi cients are enhanced for higher β and lower dh. Furthermore, the variation of performances and operating point is observed as a function of the external air temperature and volu metric flow rate. The global system is negatively affected by increasing air temperature and reduced volumetric flow rate. Finally, it is discussed about the variation of CO2 mass flow rate and condensing temperature at the low temperature evaporator.

La tesi è relativa ad un Cascade Refrigeration System, una configurazione avanzata basata sulla tecnologia a compressione di vapore. Alcuni studi precedenti relativi a tali sistemi e lo stato dell’arte della tecnologia sono discussi. La parte più importante del lavoro presentato è lo sviluppo di un modello numerico MATLAB basato sulla termodinamica, che simula le prestazioni globali e il punto operativo di un Cascade System operante con R134A e R404A rispettivamente come fluido nel circuito ad alta e bassa temperatura, con R404A che evapora estraendo calore dalla condensazione della CO2 a -40°C. Il modello globale prende in input la geometria e i modelli numerici dei singoli componenti (compressori, scambiatori a piastre e condensatore ad aria), nonché le correlazioni empiriche trovate in letteratura per il calcolo del coefficiente di scambio termico locale e delle perdite di carico per attrito. Viene presentato lo schema iterativo globale e vengono riportati i risultati di varie analisi di sensibilità. In primo luogo, viene valutato l’effetto dei parametri geometrici degli scambiatori di calore a piastre, come l’angolo di Chevron β e il diametro idraulico dei canali dh, sulle prestazioni termodinamiche. I coefficienti di scambio termico aumentano all’aumentare di β e al diminuire di dh. Inoltre, si osserva la variazione delle prestazioni globali e del punto di funzionamento in funzione della temperatura dell’aria esterna e della relativa portata volumetrica. Si evince che il sistema è influenzato negativamente da un aumento della temperatura dell’aria e da una riduzione della portata volumetrica. Infine, viene affrontata la variazione della portata massica di CO2 e della relativa temperatura di condensazione all’evaporatore di bassa temperatura.